历史上地球曾两次变成一个大雪球，是什么原因导致的？-SAT阅读自然科学背景知识

TD SAT教研组一直以来致力于为大家提供硬核教研干货，今天我们继续为大家带来一篇SAT阅读的自然科学干货文，仔细阅读能为大家增加有趣又有用的背景知识哦~ 地球如果遇到急剧大降温，就会完全冻成一个大雪球。根据1960年几位科学家提出的理论， 这样的大降温事情，在整个地球历史上，至少发生过两次，一次是在7亿1千7百万年前，另一次是6亿4千5百万年前。假如你回到7亿年前，当时地球的平均气温约为零下52摄氏度，你会看到所有大洋和陆地几乎都被一层厚厚的冰盖住了，大部分生物无法生存。地球表面的冰把地球接收到的太阳光全都反射掉了，造成了一种失控的效果，地球的气温越来越低，越冻越结实。 这种事情确实发生过，科学家已经找到了确凿的证据。但是为什么地球会降温降得那么厉害，科学家们一直搞得不是很清楚。 有很多科学家提出了多种不同的理论假说来解释是什么导致地球大降温，冻成一个大雪球。

第一种理论假说认为，一颗体积较大的小行星撞击了地球，产生了大量烟尘，挡住了阳光，遮天蔽日很多年，地球就冻成了。 第二种理论假说认为，爆发了一次超级火山爆发，同样也是产生大量烟尘遮天蔽日，地球冻成雪球。 第三种理论假说认为，地球上进化出了一种生物，类似海藻，生活在海洋表面，特别会吸收二氧化碳，然后把这些二氧化碳转变成碳酸钙岩石沉积物，埋到海底去。 大气层中的二氧化碳都被吸光了，而二氧化碳是有保温作用的，所以这就导致地球越来越冷，冻成了雪球。 以上三种理论假说，现在都没有找到任何物理证据可以证实。第四种理论假说是一位法国科学家提出的，他认为，距今7亿5千万年时，远古大陆（罗迪尼亚大陆，当时整个地球的陆地是一整块）分裂成多个小块的过程中，很多小块大陆漂移到了赤道附近。原来只有一大块陆地的时候，大部分雨水会落在海面，而不会落到陆地上，也就雨水不会风化陆地表明裸露岩石。大块陆地分裂成小块陆地后，小块陆地和小块陆地之间形成了小面积的海，导致更多的雨水落到陆地而不是海面。 赤道附近又湿热多雨，在这种气候下，特别容易出现岩石被风化的现象。 在罗迪尼亚大陆分解的过程中，也会产生多个火山带，火山带的岩石因为是新生成的（fresh），也比老一点的岩石更容易被风化。这些岩石是玄武岩，由镁和钙组成，会和二氧化碳发生化学反应，这就是风化。 风化会导致大气中的二氧化碳减少。所以在这一时期，大量陆地表面的岩石被风化，导致地球气候变冷，冻成了一个雪球。 这位法国科学家的研究团队经过计算机模型模拟仿真推演，证实了这个理论假说是可能说得通的。但是这个理论假说有一个弱点，就是风化的进程是非常缓慢的，风化虽然能影响气候，但是应该需要大概数百万年才能有明显的效果。在风化的影响下，即使出现了气温失控，往雪球变的趋势，在数百万年的时间里，地球通常会自我调节，找回控制。另外，伴随大陆分解的火山爆发产生的岩石虽然容易被风化，但是火山爆发本身是会产生二氧化碳，所以只有风化的作用盖过二氧化碳产生的速度，地球才会越来越冷。也就是说， 这第四种理论假说需要出现一种特别巧合的情况时，才站得住脚。

因为以上几种理论假说都不能令人满意，所以哈佛大学一位叫麦克唐纳德的教授试图提出一个新的理论假说。然后他的研究确实取得了突破。以前科学家对距今约7亿年前的第一次地球冻成雪球这一事件发生的准确时间说不准，估算出来的日期的误差在前后几亿年。现在经过麦克唐纳德教授的研究，已经可以把误差控制在前后十万年之内。他认为第一次地球变雪球事件是在约7亿1千7百万年前发生的。 然后，麦克唐纳德教授又注意到，地球历史上出现过的“富兰克林大片火山活动区”（FLIP，长度达2000英里），也是在同一时期形成的。于是，他就想，这究竟是巧合，还是两者有关联。于是他就把地质证据和计算机建模结合起来分析（他同样使用了计算机），得出结论，“富兰克林大片火山活动”确实可能会导致地球气候急剧变冷，冻成雪球。“富兰克林大片火山活动”就是地球变成雪球的原因。 大片火山爆发应该一件是很火热的事情，怎么会导致地球冻成雪球呢？那就让我们听麦克唐纳德教授讲一下地球历史上冰与火之歌的故事。 “富兰克林大片火山活动”发生在一片富含硫元素的地区，硫颗粒随着火山喷发被抬升到几千米的高空，形成了一个硫化物（主要是二氧化硫）隔热层。这个硫化物隔热层既会挡住阳光，同时也会让地球的热量无法散播到太空中去。如果硫化物隔热层出现在地球南北极这种日照稀少的地方，隔热层起到的作用就主要是防止地球的热量外逸，也就是帮地球保温了。如果硫化物隔热层正好出现在地球赤道附近日照强烈的地方，隔热层起到的作用就主要是挡住阳光了，也就是让地球越来越冷（1991年菲律宾一个火山爆发，向大气中释放了1千万吨硫化物，导致当年全球平均气温下降了1度）。所以导致硫化物隔热层出现的“富兰克林大片火山活动”发生在地球的哪个位置就很关键。麦克唐纳德教授发现，“富兰克林大片火山活动”确实发生在地球的赤道附近，这就对了。计算机模型推演显示，只要硫化物升到足够高的高空（高过对流层，进入平流层也就是同温层），就不会随降雨回到地面，而是一直留在同温层中，挡住阳光，导致地球变冷。尽管硫化物也会扩散到地球的其他区域，但主要还是集中在赤道区域，也就是主要起到挡阳光让地球变冷的作用。又经过计算，只要火山持续喷发五年以上，硫化物隔热层也一直在赤道上空的同温层停留五年以上，就会让地球开始变得越来越冷，最后冻成一个雪球。

这种情景的出现还必须要有一个前提条件，就是在“富兰克林大片火山活动”发生前，地球的温度已经比较低了。因为硫化物必须上升到同温层，才能形成隔热层。只有在地球温度已经较低的情况下，同温层的高度才能相对低一些，硫化物才可以够得到同温层。也就是说，在地球气温较低的前提下，再在赤道附近出现大片大片地区有多个火山多次持续喷发，就可能启动地球被冻成雪球的进程。 “富兰克林大片火山活动”发生前地球的气温，目前科学家们还搞不清楚。但是，只要这时的气温确实比较低，那整个理论就比较说得通了。因为气温足够低，硫化物可以够得着同温层，形成隔热层后，阻挡阳光，导致地球变冷；地球变冷后，同温层的高度会变得更低，硫化物就更容易够得着同温层，也就是说形成了一个单向循环，这就会导致地球的气温越来越低，最后冻成一个雪球。 硫化物遮挡作用不需要一直延续到把整个地球冻起来，只要把地球一定纬度的地区（比如今天和美国加州纬度相同的地球表面）冻起来就可以了。接下来，即使没有硫化物遮挡，地球整个变成一个大雪球的趋势和进程就不可阻挡了。 对于麦克唐纳德教授提出的这个理论假说，有些科学家认为是迄今为止最令人信服的一个假说。 有的科学家认为“富兰克林大片火山活动”和地球历史上第一次“地球冻成雪球”事件，同时发生，只是巧合，两者并没有关系。还有的科学家指出，麦克唐纳德教授的这个理论假说，只能解释地球历史上的第一次“地球冻成雪球”事件。第二次“地球冻成雪球”事件发生的时候，是没有大片火山活动的，所以麦克唐纳德教授的理论解说是解释不了第二次事件的。这次的研究成果还给我们一个启示，就是虽然行星上的气候是比较稳定的，但是既然地球历史上出现过短时间内冻成雪球这样的剧变，那么其他行星上的气候虽然目前不适合人居住，但是将来说不定也会出现剧烈气候变化，变得适合人类居住。